交通信号灯控制器设计.docx
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交通信号灯控制器设计
交通信号灯控制器设计
摘要
交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。
绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红、黄、绿三种标志）于1918年诞生。
它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。
一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。
回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
目录
绪论
第一章系统概要
1.1设计思路
①系统中要求有30秒，20秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。
计时顺序用顺计时。
定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入主控电路，并通过主控电路去开启和关闭种交通灯或启动另一种计时电路。
②系统要求定时显示电路的输入信号为秒脉冲信号，设计一个可以实现秒脉冲输出的时基电路。
③主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自30秒，20秒，5秒三个定时信号。
主控电路可以控制各种交通灯的开启和关闭，并反馈信号给计时电路，触发与亮着的信号灯相应的定时电路，使其顺时显示相应时间。
1.2原理和总体设计方案
1.2.1原理
如图1，由一条主道和一条支道的汇合点形成的十字路口，两道上的车辆交替通过，为确保车辆的安全,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红,绿,黄三色信号灯。
红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外
图1主支道汇成的十字路口示意图
主干道和支道交替允许通行，且主干道绿灯亮放行30秒，支干道绿灯亮放行20秒；每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡。
1.2.2总体设计方案构思
如图2流程图，系统主要由控制器，定时器，显示器，译码器，信号灯和秒脉冲号发生器组成。
其中控制器是核心部分，由它来控制定时器和译码器的工作；秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号；译码器输出两路灯的控制信号；定时器是这个设计方案中的难点，要找到合适的元器件来分别实现三种不同时间的定时功能，并且尽可能的使其电路不过于复杂。
系统可以划分为妙信号产生电路，交通灯信号状态控制器设计和定时译码显示系统的设计来进行讨论。
1.3功能的划分及组成
1．秒信号产生电路
2．交通灯信号状态控制器设计
3．定时译码显示系统的设计
任务书
第二章．总的设计方案
2.1设计任务及主要技术指标和要求
如图1示意图，由一条主道和一条支道的汇合点形成的十字路口，两道上的车辆交替通过，为确保车辆的安全,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红,绿,黄三色信号灯。
红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外；
.用红,绿,黄,三色发光二极管作信号灯,主道红,绿,黄三个信号灯,支道红,绿黄三个信号灯。
.主干道和支道交替允许通行，主干道每次放行30秒，支道每次放行20秒。
设30秒和20秒计时显示器电路。
.在每次由绿灯转换为红灯的过程中间，要亮5秒黄灯作为过渡时间，以使本设计应用基本数字电路知识，采用LED灯作红、绿、黄三交通灯，
.在丁字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯；用来指挥车辆和行人有序通行。
其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。
2.2工作流程：
主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮；主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮；主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮；主道方向红灯亮，支道方向黄灯亮。
如此往复循环。
2.3工作流程图
图2交通信号灯控制器流程图
2.4方案设计
2.4.1方案构思
用简单的计数译码芯片实现
交通灯控制系统的原理框图如图2所示。
它主要由秒脉冲信号产生电路、定时计数电路、计时显示电路、主控电路、译码驱动电路等组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器的标准时钟信号源，555多谐振荡产生频率为1Hz的秒信号，向计时显示电路提供信号，使计时电路按要求做减法计数。
计时译码显示电路用芯片74LS190n来完成。
主控电路是系统的主要部分。
2.4.2方案的可行性论证
此方案采用的是数字电子技术中所学的基本原理与芯片，原理比较简单，便于连线，便于调试，且容易实现与灯控制信号同步的倒计时功能。
所使用器件也是我们在数字电子技术课程中所学过的，其设计思路清晰，只是简单的计数，译码再通过逻辑门电路对其进行控制。
最大的优点是各部分电路是相互独立的，即可以采用分开接线，分开测试的方法，方便检查线路，当各部分电路检测输出无误后再将各部分连接成整体。
对实际检验校对很有帮助，且此电路能较方便地实现对控制时间的倒计时。
第三章．单元电路设计
3.1秒信号产生电路
产生秒信号的电路有多种形式，这里利用555定时器构成占空比为2/3的多谐振荡器,使其产生需要的方波作为触发器的CP脉冲,其原理电路图如下:
图3.1秒信号产生电路
根据占空比表达式可知：
q=（R1+R2）/（R1+2R2）=2/3
得到，又由振荡周期表达式可知：
T=（R1+2R2）C㏑2=1
若取，则代入上式可得：
3R1C㏑2=1
所以
R1=R2=48
选用两只47ΚΩ与一只2ΚΩ电位器串联就得到如图3.1示的电路
3.2主控电路（交通灯信号状态控制器设计）
交通灯信号状态控制器用来记忆十字路口的工作状态，并且根据工作状态的转移情况来分别点亮和关闭路口的交通灯。
因此这是一个时序电路的设计问题。
在设计中必须考虑路口灯亮的定时关系。
上述的秒信号产生电路整个系统的时基脉冲，该脉冲作用于减法计数器，对秒脉冲值减计数，达到控制每一种工作状态（灯亮、灭）的持续时间。
减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态完成状态间的状态转换，同时将下一工作状态减计数的初始值置入计数器。
3.2.1状态指令和编码
1．交通灯态序分析：
（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。
表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。
绿灯亮时规定的时间隔45秒时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。
（2）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。
表示主干道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，支干道禁止通行。
黄灯亮时规定时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。
（3）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。
表示主干道禁止通行，支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。
根据上述的分析，可以得到十字路口交通灯顺序工作如表1和图3.2（a）所示，为此进行状态指定，依次为S0、S1、S2、S3用来分别记忆交通灯的工作情况。
对这4个状态进行状态状态编码，从而得到交通灯工作状态经过编码后的转换图如图3.2（b）所示。
显然，这是一个四进制计数器。
可采用双JK触发器74LS112来构成状态装换的控制电路。
并且通过控制74LS112（II）的CP脉冲来进行四个状态间的转化。
CP脉冲可以通过一个四选一电路接到减法计数器的输出端来实现。
如图3.3中的计数器部分所示。
表3.1车道运行状态表
态序
主干道
支道
时间/秒
S0
绿灯亮通车
红灯亮停
45
S1
黄灯亮停
红灯亮停
5
S4
红灯亮停
绿灯亮通车
25
S5
红灯亮停
黄灯亮停
5
图3.2（a）交通灯顺序工作过程
图3.2（b）交通灯工作状态编码装换图
3.2.2求交通灯控制函数及电路
主支干道上的绿、黄、红交通灯的亮、灭状态取决于状态控制变量，它们之间的关系见表3.2，其中交通灯亮用“1”表示，灭用“0”表示
表3.2交通灯信号真值表
状态变量
主干道交通灯
支干道交通灯
Q2
Q1
R（红）
Y（黄）
G（绿）
r（红）
Y（黄）
G（绿）
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
根据真值表，可求出各交通灯的控制函数表达式为：
主干道：
R=Q2Q1+Q2Q1=Q2R=Q2
Y=Q2Q1Y=Q2Q1
G=Q2Q1G=Q2Q1
支干道：
r=Q2Q1+Q2Q1=Q2r=Q2
y=Q2Q1y=Q2Q1
g=Q2Q1g=Q2Q1
选择半导体发光二极管LED-red、LED-green、LED-yellow来模拟交通信号灯，利用门电路输出低电平工作在灌电流状态时的带负载能力较强的特点来点亮相应的发光二极管，得到交通灯信号状态控制器如图3.3的组合逻辑部分所示。
3.3定时译码显示系统的设计
3.3.1定时电路
GgQ1
图3.4定时电路原理图
3.3.2计数译码显示电路
根据设计要求计时主支干道都要实现45秒、25秒、5秒交替循环倒记数，为此用74LS42来实现显示电路，74LS42是一个用于驱动共阳极LED（数码管）显示器的8421BCD码—七段显示译码器。
七段显示器主要有荧光数码管和半导体显示器、液晶数码显示器。
半导体（发光二极管）显示器是数字电路中比较方便使用的显示器。
它有共阳极和共阴极两种接法，如图3.5所示。
图3.5半导体显示电路
图3.5定时译码显示系统电路图
第四章元器件选择及介绍
本系统所涉及到的电子元器件主要是集成芯片，在一定程度上是考虑到容易得到的为首选。
其中只有少数元器件选择需要特别注意，否则无法实现功能。
⒈在555产生秒脉冲信号的电路中，需要先用三个电阻和两个电容，参考555芯片手册及其典型应用电路可知电阻应选两个47ΚΩ和一个2ΚΩ的电阻，电容一个应选0.01uF的磁片电容，和10uF的电解电容.
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能，这里我给大家介绍一下他的资料：
74LS161pdf资料下载：
74ls161引脚图
管脚图介绍：
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP，CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC.（TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET）
输入
输出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
74LS138
目录
简介
工作原理
编辑本段简介
74LS138为3线－8线译码器 共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式。
编辑本段工作原理
①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（（/E2））和/（E3））为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。
比如：
A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。
②利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。
③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。
④可用在8086的译码电路中，扩展内存。
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。
74ls48引脚图
74ls48功能表—七段译码驱动器功能表
十进数
或功能
输入
BI/RBO
输出
备注
LT
RBI
DCBA
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
0000
H
1
1
1
1
1
1
0
1
1
H
x
0001
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
x
0010
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
x
0011
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
x
0100
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
x
0101
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
x
0110
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
x
0111
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
x
1000
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
x
1001
H
1
1
1
0
0
1
1
10
H
x
1010
H
0
0
0
1
1
0
1
11
H
x
1011
H
0
0
1
1
0
0
1
12
H
x
1100
H
0
1
0
0
0
1
1
13
H
x
1101
H
1
0
0
1
0
1
1
14
H
x
1110
H
0
0
0
1
1
1
1
15
H
x
1111
H
0
0
0
0
0
0
0
BI
x
x
xxxx
L
0
0
0
0
0
0
0
2
RBI
H
L
0000
L
0
0
0
0
0
0
0
3
LT
L
x
xxxx
H
1
1
1
1
1
1
1
4
6、心得体会
由于我们刚学习过了数字电子电路对电子技术有了进一步的了解，但那都是一些理论的东西。
通过这次交通灯的课程设计，我们才把学到的东西与实践相结合。
从中对我们学的知识有了更进一步的理解。
在此次的课程设计过程中，还参考一些电子设计书籍和互联网上的有关器件及集成电路等方面的资料。
通过这一系列的步骤使我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。
虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。
设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。
至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。
各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。
同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。
另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。
虽然我们现在作的不可能到市场上去销售，但我们要为以后作设计培养出好的习惯。
在这次设计过程中，我也有了更进一步的学习，这将给我在以后的工作中和学习中带来一定的帮助。
致谢
七、参考文献
1、数字集成电路应用300例,黄继昌等主编.,人民邮电出版社
2、第二届全国大学生电子设计竞赛组委会编.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994～1995）.北京:
北京理工大学出版社,1997.
3、电子电路设计与实践,姚福安编著.山东科学技术出版社
4、电子技术基础（数字部分）,康华光主编.第四版.北京:
高等教育出版社.2002
5、数字逻辑电路设计与实验,绳广基编著.上海交通大学出版社,1989.
6、电子技术基础课程设计,粱宗善.华中理工大学出版社.1995.1
7、电子技术基础实验与课程设计,高吉祥主编.电子工业出版社2002.2
八、总原理图
见附录。
致谢
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